14.2 Diseño contra la fatiga
Se pueden tomar varias precauciones para asegurar que una aeronave tenga una vida adecuada a la fatiga. Hemos visto, en el capítulo 10, que las primeras aleaciones de aluminio-cinc poseían altas tensiones últimas y de prueba, pero eran susceptibles de fallar pronto bajo cargas de fatiga; la elección de los materiales es, por tanto, importante. Las aleaciones de aluminio-cobre envejecidas de forma natural poseen una buena resistencia a la fatiga, pero con menor resistencia estática. La investigación moderna se está concentrando en aleaciones que combinan alta resistencia con alta resistencia a la fatiga.
La atención al diseño de los detalles es igualmente importante. Las concentraciones de tensiones pueden surgir en las esquinas agudas y en los cambios bruscos de sección. Por lo tanto, deben preverse filetes en las esquinas reentrantes, y los recortes, como las ventanas y los paneles de acceso, deben reforzarse. En los paneles mecanizados, debe aumentarse el espesor del material alrededor de los orificios de los pernos, mientras que los orificios de las uniones primarias atornilladas deben escariarse para mejorar el acabado de la superficie; los arañazos superficiales y las marcas de la máquina son fuentes de iniciación de grietas por fatiga. Deben evitarse los saltos en los elementos sometidos a grandes tensiones, mientras que la asimetría puede causar tensiones adicionales debido a la flexión.
Además de un buen diseño estructural y de detalles, es necesario estimar el número, la frecuencia y la magnitud de las cargas fluctuantes que encuentra una aeronave. El espectro de la carga de fatiga comienza cuando la aeronave taxea a su posición de despegue. Durante el rodaje, la aeronave puede estar maniobrando sobre un terreno irregular con una carga útil completa, por lo que las tensiones del ala, por ejemplo, son mayores que en el caso estático. Además, durante el despegue y el ascenso y el descenso y el aterrizaje, la aeronave está sometida a las mayores fluctuaciones de carga. El tren de aterrizaje se retrae y se baja; los flaps se suben y se bajan; se produce el impacto en el aterrizaje; la aeronave tiene que realizar maniobras; y, por último, la aeronave, como veremos, experimenta un mayor número de ráfagas que durante el crucero.
Las cargas correspondientes a estas distintas fases deben calcularse antes de poder obtener los esfuerzos asociados. Por ejemplo, durante el despegue, los esfuerzos de flexión del ala y los esfuerzos de cizallamiento debidos a la cizalladura y a la torsión se basan en el peso total de la aeronave, incluidos los depósitos de combustible llenos, y la carga útil máxima, todo ello factorizado por 1,2 para tener en cuenta un bache durante cada despegue en una pista dura o por 1,5 para un despegue desde la hierba. Las cargas producidas durante el vuelo nivelado y las maniobras simétricas se calculan utilizando los métodos descritos en la sección 13.2. A partir de estos valores, se pueden hallar las distribuciones de la fuerza cortante, el momento flector y el par en, por ejemplo, el ala, integrando la distribución de la sustentación. Las cargas debidas a las ráfagas se calculan mediante los métodos descritos en el apartado 13.4. Así, debido a una sola ráfaga equivalente de bordes afilados, el factor de carga viene dado por la Ecuación (13.25) o (13.26).
Aunque es una cuestión relativamente sencilla determinar el número de fluctuaciones de carga durante un ciclo tierra-aire-tierra causadas por operaciones estándar, como subir y bajar los flaps o retraer y bajar el tren de aterrizaje, es más difícil estimar el número y la magnitud de las ráfagas que encontrará un avión. Por ejemplo, hay un mayor número de ráfagas a baja altura (durante el despegue, el ascenso y el descenso) que a gran altura (durante el crucero). El terreno (mar, terreno llano, montañas) también afecta al número y a la magnitud de las ráfagas, al igual que la meteorología. El uso del radar permite a los aviones evitar los cúmulos, donde las ráfagas son frecuentes, pero tiene poco efecto a baja altura en el ascenso y el descenso, donde las nubes no pueden evitarse fácilmente. La Unidad de Datos de Ciencias de la Ingeniería (ESDU) elaboró datos sobre las ráfagas basándose en la información recogida por los registradores de ráfagas que llevan los aviones. Éstos muestran, en forma de gráfico (curvas l10 versus h, h es la altitud), la distancia media recorrida a distintas altitudes para que se produzca una ráfaga con una velocidad superior a ±3,05 m/s. Además, las curvas de frecuencia de ráfagas dan el número de ráfagas de una velocidad determinada por cada 1000 ráfagas de velocidad 3,05 m/s. La combinación de ambos conjuntos de datos permite calcular la superación de ráfagas, es decir, el número de ciclos de ráfagas que tienen una velocidad superior o igual a una velocidad determinada encontrada por kilómetro de vuelo.
Como un avión está sometido al mayor número de fluctuaciones de carga durante el rodaje-despegue-ascenso y el descenso-despegue-aterrizaje, mientras que se producen pocos daños durante el crucero, la vida útil a la fatiga de un avión no depende del número de horas de vuelo sino del número de vuelos. Sin embargo, los requisitos operativos de los aviones difieren de una clase a otra. Al Airbus se le exige una vida libre de grietas por fatiga de 24.000 vuelos o 30.000 horas, mientras que su vida de reparación económica es de 48.000 vuelos o 60.000 horas; su tren de aterrizaje, sin embargo, está diseñado para una vida segura de 32.000 vuelos, tras los cuales debe ser sustituido. Por otro lado, el BAe 146, con un mayor número de vuelos cortos al día que el Airbus, tiene una vida útil especificada sin grietas de 40.000 vuelos y una vida útil de reparación económica de 80.000 vuelos. Aunque estas cifras son requisitos operativos, la naturaleza de la fatiga es tal que es poco probable que todos los aviones de un tipo determinado los cumplan. Del total de aviones Airbus, al menos el 90 por ciento alcanzan estos valores y el 50 por ciento los superan; está claro que es necesario realizar inspecciones frecuentes durante la vida de un avión.